학문
나의아하답변일기
자동차 앞유리 발수코팅 원리가 궁금합니다.
차에 발수코팅 시공을 받으면 물이 퍼지지 않고 모이더라고요. 창문에 약품을 바르고 말리기만 한 건데 어떤 원리에서 물이 퍼지지 않고 모여 있는 건가요? 그리고 왜 금방 물에 씻겨 내려가지 않고 유지되는 건가요?
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안녕하세요, 나의아하답변일기님. 이중철 전문가입니다.
비 오는 날 자동차 앞유리에 발수코팅을 해두면 물방울이 둥글게 맺히다가 시속 60km 이상으로 달릴 때 위로 르르륵 날아가는 모습은 보기만 해도 가슴이 뻥 뚫리는 만족감을 주기도 하지요. 단순히 유리 표면에 약품을 바르고 말렸을 뿐인데 물이 퍼지지 않고 동글동글하게 뭉치는 현상, 그리고 와이퍼를 박박 문지르거나 비를 맞아도 오랫동안 유지되는 비결에는 표면 장력이라는 물리적 원리와 공유 결합이라는 화학적 원리가 숨어 있습니다. 이해하기 쉽게 두 가지 파트로 나누어 설명해 드릴게요.
1. [물이 퍼지지 않고 둥글게 모이는 이유] 접촉각과 소수성
아무것도 바르지 않은 순수한 유리는 사실 물을 굉장히 좋아하는 '친수성 성질'을 가지고 있어요. 그래서 그냥 유리에 물을 부으면 위 이미지의 가운데(친수성)나 우측(Perfect wetting) 그림처럼 물이 표면에 얇고 넓게 퍼지면서 달라붙게 됩니다. 물 분자가 서로 뭉치려는 힘보다 유리 벽면에 달라붙으려는 힘이 더 강하기 때문이죠.
여기에 발수코팅제를 바르게 되면 유리의 성질이 180도 뒤바뀝니다. 발수코팅제 속에는 물을 극단적으로 싫어하는 '소수성 성질'을 띤 불소나 실리콘 화합물이 들어있는데요. 이 약품이 유리 표면에 얇은 보호막을 형성합니다. 이렇게 되면 위 이미지의 맨 왼쪽(소수성) 그림처럼 물방울이 표면과 이루는 각도인 접촉각이 100도에서 110도 이상으로 대폭 커지게 됩니다. 물 분자 입장에서는 아래에 깔린 코팅막이 너무 싫다 보니, 코팅막에 닿는 면적을 최소한으로 줄이기 위해 자기들끼리 서로 강하게 뭉치면서 완벽한 공 모양에 가깝게 동글동글해지는 것이에요. 표면이 미끄럽고 둥글게 뭉쳐있다 보니, 차가 달릴 때 맞바람이 조금만 불어도 쉽게 굴러서 날아가 버리게 되는 것이랍니다.
2. [쉽게 씻겨 내려가지 않고 오래 유지되는 이유] 분자 수준의 강력한 공유 결합
유리에 물을 밀어내게 만들고 싶다면 그냥 집에 있는 식용유나 참기름을 발라도 일시적으로는 물이 뭉칩니다. 하지만 기름은 와이퍼질 몇 번이나 빗물에 금방 씻겨 내려가 버리지요. 반면에 전문 발수코팅제는 짧게는 수개월에서 길게는 1년 이상 유지될 수 있어요. 그 비결은 코팅제가 유리에 그냥 얹혀있는 게 아니라, 유리와 완전히 한 몸으로 합쳐지는 화학 반응을 일으키기 때문인데요. 유리의 주성분은 규소(Si)와 산소(O)로 이루어진 이산화규소입니다. 발수코팅제에 쓰이는 특수 화학 물질(실란 커플링제)을 유리 표면에 바르면, 공기 중의 수분과 반응하면서 유리가 가진 규소 분자와 코팅제의 분자가 서로 전자를 공유하며 단단하게 묶이는 공유 결합(실록산 결합)을 형성합니다.
3. (참고) [공유 결합] 물리적 얹힘이 아닌 화학적 융합
이 결합은 화학에서 가장 끊어내기 힘든 강력한 결합 중 하나인데요. 분자 수준에서 나사못을 촘촘하게 박아 지각 변동 수준으로 고정해 놓은 것과 같기 때문에, 단순히 물이 흐르거나 와이퍼의 고무가 지나가는 물리적인 마찰력만으로는 이 결합을 쉽게 끊어낼 수 없어서 오랫동안 효과가 유지되는 것이랍니다.
정리하자면,
자동차 앞유리 발수코팅의 원리는 물을 싫어하는 소수성 물질을 표면에 입혀 물 분자가 스스로 동글동글하게 뭉치도록 접촉각을 높이는 물리적 원리와, 이 소수성 물질이 유리 표면의 규소 성분과 분자 수준에서 강력하게 맞물리는 공유 결합을 형성하는 화학적 원리가 결합하여 빗물이나 마찰에도 쉽게 지워지지 않는 단단한 방수 장벽을 유지하는 메커니즘입니다.
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